星间链路新型信号体制设计

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1、2011年8月中国空间科学技术15第4期ChineseSpaceScienceandTechnology星间链路新型信号体制设计何善宝1林益明1吴乐南2冯熳2王平1陈忠责1谢军1(1北京空间飞行器总体设计部。北京100094)(2东南大学信息科学与工程学院，南京210096)摘要从信息理论基础和通信技术源头开展创新，将高频谱效率的扩展二进制相移键控调制波形、极大提升解调前信噪比的数字冲击滤波器、自适应锁相解调方法和进一步提升解调性能的波形参数匹配技术有机融为一种全新而独特的高效通用调制解调体制，并结合导航星座星间链路的要求进行仿真。结果表明其特定信噪比下单位带宽可传输的信息速率

2、bit／s／Hz／SNR(SignaINoiseRatio)综合指标显著超过现有对比技术，且码率、带宽和信噪比可与空间环境自适应。关键词超窄带调制信号体制星间链路导航卫星DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2011．04．0031引言全球卫星导航系统正在如火如茶地部署，预计2020年整个地球的周围将同时拥有100颗以上的导航卫星向地面播发导航信号。除对地导航信号占用的频谱更加拥挤外，通信星座和其他星座的星间频段，星间链路的无线电频谱也将越来越拥挤。能否尽量在单信道的物理层通过新颖的调制解调和特殊的信号处理手段使通信频带更窄、传输码率更高、抗干扰能力更强、对

3、空间环境的适应性更优，则具有艰巨的原理挑战性、重大的经济效益和影响深远而广泛的技术进步意义。1988年，美国的HaroldR．Walker博士申请了可变相移键控(VariablePhaseShiftKeying，VPSK)调制专利．提出了超窄带调制的概念⋯。尽管VPSK在1993年又改进为新专利并有高达15(bit／s)／Hz的频谱效率[2】，但本质上仍是一种基带方法，而上变频并不能提高码率。故为提高码率，单载波二元调制应尽可能在更高频率上进行，最好直接调制到射频载波上。后来，Walker又利用一类叫做“孔径(aperture)码”的脉宽调制码以及射频上抑制载波的单边带(SSB

4、-SC)处理进一步改造了VPSK调制，并将这种改进后的方法称为甚小移键控(VeryMinimumShiftKeying，VMSK)t引，包括VMSK／1和VMSK／2两种形式，1999年获美国专利¨J。2000年9月22日，在美国马萨诸塞州，曾公开演示并测试了利用VMSK调制在30kHz标准蜂窝时隙内传T1(传输速率可达1．544Mbit／s的通讯线路)码率的“不可能”的技术，码率比当时移动电话的28．8kbit／s提高了53倍，频带利用率超过了50(bit／s)／Hz，而功耗不到一60dBmt5。。上海交通大学的徐友云等人也对VPSK、VMSK和VMSK／2的频谱利用率及编解

5、码器的FP—GA实现方案进行了研究【63I2001年东南大学的Khalid．H。Sayhood等人比照VMSK直接构造了更类似于正弦波的调制信号，以进一步压缩带宽【71I2002年上海交通大学的陈健等人则在射频传输系统中采用VMSK／2调制获得了近20(bit／s)／Hz的频带利用率L8】。2003年，东南大学的研究收穰日期t201卜03—20．收謦改稿日期t2011-04—20!!±垦窒囹壁兰堇查!!!!生!旦团队规范了类正弦VMSK调制信号的表示，并命名为“甚小波形差键控”(Very-minimumWave—formDifferenceKeying，VwDK)，其关键思路就

6、是使已调信号与正弦信号之间的波形差异最小凹]。美国某公司收购了VMSK等多项超窄带(UhraNarrowBand，UNB)专利，并统一注册为超谱调制(UhraSpectraModulation，USM)后，改进的USM将成为潜在的第一个频谱利用率达100(bit／s)／Hz的无线电设备，其高速传输的带宽效率是现有其他技术的25倍甚至更高Do]。本文将重点介绍这种新型的高效调制技术及其在星间链路上的使用。2星间信号体制设计方案如(￡)=siruo。t，0≤f<丁、，、f—sirun。t，o≤f

7、1年8月中国空间科学技术EBPSK调制器的全数字化硬件实现的结构如图l所示。将式(1)所表达的在T内的已调波形s。(￡)和s。(f)的离散采样值预存在存储器内，然后在欲传输信息序列的控制下按照时钟发生器所提供的采样频率来选择与信息位0或1相对应的鄙(f)或s。(t)波形样本；选中的调制波形数字样本经过所需频谱形状的数字滤波后，由数字模拟转化器DAC直接转换成模拟的已调信EBPSK图lEBPSK调制器的全数字化实现框图Fig．1All—digitalimplementationofEBPSKm